JP2001277158A - 脚式移動ロボットの動作制御システム及び動作制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定度判別規範として用いるＺＭＰ位置の目
標軌道を、ロボットの次の動作遷移が効率的に行われる
ように設定する。 【解決手段】 移動量が最小となるＺＭＰ目標軌道を辿
る場合、ＺＭＰ位置は安定領域の中心よりも進行方向寄
りの場所にＺＭＰ位置が設定される。通常の２足歩行で
は、ＺＭＰ位置は安定領域の中心よりも前方寄りの場所
に設定され、ＺＭＰ位置の移動距離は最小となり、次の
動作遷移が円滑になり、より速く移動することができ
る。また、ロボットの重心位置Ｇは進行方向寄りに移動
するので、より大きな加速度を発生させることができ、
敏捷な動作が実現可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも複数本
の可動脚を備えた脚式移動ロボットの動作制御システム
及び動作制御方法に係り、特に、可動脚を用いた歩行そ
の他の脚式移動作業を効率的に行うための脚式移動ロボ
ットの動作制御システム及び動作制御方法に関する。

【０００２】更に詳しくは、本発明は、ＺＭＰ（Zero M
oment Point）を歩行の安定度判別の規範として用いて
可動脚による脚式移動作業を行う脚式移動ロボットの動
作制御システム及び動作制御方法に係り、特に、ＺＭＰ
の位置設定を効果的に制御することでロボットの動作遷
移を円滑且つ安定的に実行するための脚式移動ロボット
の動作制御システム及び動作制御方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】電気的若しくは磁気的な作用を用いて人
間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボッ
ト」という。ロボットの語源は、スラブ語のＲＯＢＯＴ
Ａ(奴隷機械)に由来すると言われている。わが国では、
ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からである
が、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人
化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなど
の産業用ロボット（industrial robot）であった。

【０００４】アーム式ロボットのように、ある特定の場
所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、
部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間で
のみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業
空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を
自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行
したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わ
る種々の幅広いサービスを提供することができる。なか
でも脚式の移動ロボットは、クローラ式やタイヤ式のロ
ボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなる
が、階段や梯子の昇降や障害物の乗り越えや、整地・不
整地の区別を問わない柔軟な歩行・走行動作を実現でき
るという点で優れている。

【０００５】最近では、イヌやネコのように４足歩行の
動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボ
ット、あるいは、ヒトのような２足直立歩行を行う動物
の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた
「人間形」若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎ
ｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）など、脚式移動ロボットに関する
研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきてい
る。

【０００６】人間形若しくは人間型と呼ばれる脚式移動
ロボットを研究・開発する意義を、例えば以下の２つの
視点から把握することができよう。

【０００７】１つは、人間科学的な視点である。すなわ
ち、人間の下肢及び／又は上肢に似た構造のロボットを
作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミ
ュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとす
る人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明するこ
とができる。このような研究成果は、人間工学、リハビ
リテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の
運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に
大いに還元することができるであろう。

【０００８】もう１つは、人間のパートナーとして生活
を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々
な場面における人的活動の支援を行う実用ロボットの開
発である。この種のロボットは、人間の生活環境のさま
ざまな局面において、人間から教わりながら個々に個性
の相違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面
でさらに成長していく必要がある。このとき、ロボット
が「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をして
いる方が、人間とロボットとのスムースなコミュニケー
ションを行う上で有効に機能するものと考えられる。

【０００９】例えば、踏んではならない障害物を避けな
がら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教
示するような場合、クローラ式や４足式ロボットのよう
に教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、
同じような格好をしている２足歩行ロボットの方が、ユ
ーザ（作業員）ははるかに教え易く、またロボットにと
っても教わり易い筈である（例えば、高西著「2足歩行
ロボットのコントロール」（自動車技術会関東支部＜高
塑＞Ｎｏ．２５，１９９６ＡＰＲＩＬ）を参照のこ
と）。

【００１０】人間の作業空間や居住空間のほとんどは、
２足による直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや
行動様式に合わせて形成されている。言い換えれば、人
間の住空間は、車輪その他の駆動装置を移動手段とした
現状の機械システムが移動するのにはあまりに多くの障
壁が存在する。機械システムすなわちロボットが様々な
人的作業を支援又は代行し、さらに人間の住空間に深く
浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間
のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式
移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でも
ある。人間型の形態を有していることは、ロボットが人
間の住環境との親和性を高める上で必須であると言え
る。

【００１１】２足歩行による脚式移動を行うタイプのロ
ボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に
数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、
「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義
することができる。

【００１２】ロボットの姿勢安定制御は、ロボットの転
倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒
は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、
且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために
相当の労力や時間が払われるからである。また、何より
も、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒す
るロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷
を与えてしまう危険があるからである。したがって、脚
式移動ロボットの設計・開発において、姿勢安定制御や
歩行時の転倒防止は最も重要な課題の1つである。

【００１３】歩行時には、重力と歩行運動に伴なって生
じる加速度によって、歩行系から路面には重力と慣性
力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる
「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩
行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバ
ランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路
面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッ
チ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち
「ＺＭＰ（Zero Moment Point）」が存在する。

【００１４】脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時
の転倒防止に関する提案の多くは、このＺＭＰを歩行の
安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰ規範に基づ
く２足歩行パターン生成は、足底着地点を予め設定で
き、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し
易いなどの利点がある。

【００１５】例えば、特開平５−３０５５７９号公報に
は、脚式移動ロボットの歩行制御装置について開示して
いる。同公報に記載の歩行制御装置は、ＺＭＰ（Zero M
oment Point）すなわち歩行するときの床反力によるモ
ーメントがゼロとなる床面上の点を目標値に一致させる
ように制御するものである。

【００１６】また、特開平５−３０５５８１号公報に記
載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰが支持多面体（多角
形）内部、又は、着地、離床時にＺＭＰが支持多面体
（多角形）の端部から少なくとも所定の余裕を有する位
置にあるように構成した。この結果、外乱などを受けて
も所定距離だけＺＭＰの余裕があり、歩行の安定性の向
上を図ることができる。

【００１７】また、特開平５−３０５５８３号公報に
は、脚式移動ロボットの歩き速度をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、予め設定された歩行パ
ターン・データを用い、ＺＭＰを目標位置に一致させる
ように脚部関節を駆動するとともに、上体の傾斜を検出
して、その検出値に応じて設定された歩行パターン・デ
ータの吐き出し速度を変更するようにしている。この結
果、予期しない凹凸を踏んでロボットが例えば前傾する
ときは吐き出し速度を速めることで姿勢を回復できる。
またＺＭＰが目標位置に制御できるので、両脚支持期に
おいて吐き出し速度を変更しても支障がない。

【００１８】また、特開平５−３０５５８５号公報に
は、脚式移動ロボットの着地位置をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置と実測
位置とのずれを検出して、それを解消する様に脚部の一
方または双方を駆動するか、又は、ＺＭＰ目標位置まわ
りにモーメントを検出してそれが零になる様に脚部を駆
動することで安定歩行を行うようになっている。

【００１９】また、特開平５−３０５５８６号公報に
は、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置まわり
のモーメントを検出し、モーメントが生じているとき
は、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩
行を行うようになっている。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】脚式ロボットにおける
ＺＭＰの位置は、指令値として任意に設定することがで
きる。すなわち、支持多角形（上述）として定義される
安定領域の内部にＺＭＰを位置設定することで、歩行の
安定性を向上させることができる。

【００２１】しかしながら、上述した各従来技術はいず
れも、安定領域内のどの場所にＺＭＰ位置を設定すべき
かを、明確には開示していない。例えば、歩行の安定性
を優先してＺＭＰの位置設定を行った場合、歩行期間中
にＺＭＰ位置がとる軌跡が長い距離となってしまい、動
作が非効率的となり、また早い動きを表現することがで
きない。すなわち、次の（又は近未来的な）動作や姿勢
を考慮してＺＭＰの位置設定を行うことができない場合
がある。

【００２２】４足脚式ロボットは支持多角形が充分に大
きいので、ＺＭＰの位置設定はさほど問題にはならな
い。言い換えれば、４足脚式ロボットの場合、歩行の安
定性と動作遷移の効率化の双方を要求することができ
た。

【００２３】これに対し、ヒューマノイド・ロボットの
ように２足歩行型の場合、歩行その他の脚式動作中の支
持多角形は極端に狭くなるので、次の動作への効率的な
遷移を重視してＺＭＰを位置設定すると、歩行時の姿勢
安定性を充分に確保することができず、転倒などの事態
を将来しかねない。ロボットが転倒すると、ロボットや
衝突する相手側の物体に致命的な損傷を与える危険性が
ある。

【００２４】例えば、ＺＭＰ位置が安定領域内の適当な
場所に設定することによって、比較的少ない演算処理で
歩行動作を適度に安定化させることができる。

【００２５】脚式ロボットにおいては、各可動脚が、全
く拘束のない「遊脚期」、完全に拘束される「立脚
期」、これらの中間の「着地期」からなる歩行周期を交
互に繰り返すことによって、歩行動作を実現するのが一
般的である。

【００２６】図１８には、足底接点の支持多角形で定義
される安定領域内に適当にＺＭＰを設定して前方歩行し
た場合において、左右それぞれの脚部が立脚及び遊脚を
交互に繰り返す間にＺＭＰが移動する様子を示してい
る。また、図１９には、左右それぞれの脚部が立脚及び
遊脚を交互に繰り返す間にＺＭＰが安定領域内で適当な
軌跡で移動する様子を示している。図１９に示すＺＭＰ
軌跡は必ずしも最短の経路を辿るとは限らない。

【００２７】また、図２０には、支持多角形で定義され
る安定領域内の適当な位置にＺＭＰを設定して２足の脚
式ロボットが左右方向に歩行した場合において、歩行周
期の間にＺＭＰが移動する様子を示している。この場
合、左右の脚部が交互に立脚となる期間中、ＺＭＰ位置
は大きく移動し、ＺＭＰ軌跡の距離は長くなる。

【００２８】すなわち、図１８〜図２０からも容易に分
かるように、支持多角形で定義される安定領域内の適当
な場所にＺＭＰ位置を設定した場合、ある状態から次の
状態に動作遷移する期間中におけるＺＭＰの移動距離が
長くなってしまい、その分だけ動作完了までに時間がか
かってしまい、より速く移動することに支障が生じる可
能性がある。

【００２９】また、安定領域内の適当な場所にＺＭＰ位
置を設定して２足脚式ロボットが前進歩行する場合に
は、脚式移動ロボットの重心位置Ｇは、例えば図２１に
示すよう略中央付近に設定される可能性がある。このよ
うな場合、後足が後方に向かって床面を蹴り出す力や、
進行方向すなわち前方に印加される加速力の成分は低く
なってしまうので、より速く移動を開始するために必要
なより大きな加速度を発生させるには不利な状態にあ
る。

【００３０】同様に、安定領域内の適当な場所にＺＭＰ
位置を設定して２足脚式ロボットが横方向に歩行する場
合には、脚式移動ロボットの重心位置Ｇは、例えば図２
２に示すよう略中央付近に設定される。このような場
合、蹴り出し力の方向は重力方向とほぼ一致してしま
い、分力としての横方向加速度はほとんどゼロになって
しまうので、より速く移動を開始するために必要なより
大きな加速度を発生させるには不利な状態にある。

【００３１】本発明は上記のような技術的課題に鑑みた
ものであり、その目的は、可動脚を用いた歩行その他の
脚式移動作業を効果的に行うことができる、優れた脚式
移動ロボット及びその制御方法を提供することにある。

【００３２】本発明の更なる目的は、ＺＭＰを歩行の安
定度判別の規範として用いて効率的な脚式移動作業を行
うことができる、優れた脚式移動ロボットの動作制御シ
ステム及び動作制御方法を提供することにある。

【００３３】本発明の更なる目的は、ＺＭＰの位置設定
又はＺＭＰ目標軌道設定を効果的に制御することでロボ
ットの動作遷移を円滑且つ安定的に実行することができ
る、優れた脚式移動ロボットの動作制御システム及び動
作制御方法を提供することにある。

【００３４】本発明の更なる目的は、２足による脚式作
業中における次の動作・姿勢への効率的な遷移を考慮し
てＺＭＰの位置設定又はＺＭＰ目標軌道設定を行うこと
ができる、優れた脚式移動ロボットの動作制御システム
及び動作制御方法を提供することにある。

【００３５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を参
酌してなされたものであり、少なくとも複数本の可動脚
を備えた脚式移動ロボットのための動作制御システム又
は動作制御方法であって、所定動作実行中の各時刻毎の
ＺＭＰ安定領域を算出する安定領域算出手段又はステッ
プと、各時刻毎のＺＭＰ安定領域内の所定位置に設定し
た目標ＺＭＰ位置からなるＺＭＰ目標軌道を算出するＺ
ＭＰ目標軌道算出手段又はステップと、を具備し、ＺＭ
Ｐ目標軌道に従って前記の所定動作の実行を制御するこ
とを特徴とする動作制御システム又は動作制御方法であ
る。

【００３６】ここで、前記安定領域算出手段又はステッ
プは、各可動脚の足底接地点支持多角形に基づいて前記
ＺＭＰ安定領域を算出することができる。

【００３７】また、前記ＺＭＰ目標軌道算出手段又はス
テップは、各ＺＭＰ安定領域間のＺＭＰ移動量が最小と
なるＺＭＰ目標軌道を算出するようにしてもよい。

【００３８】また、前記ＺＭＰ目標軌道算出手段又はス
テップは、各ＺＭＰ安定領域の略中心を基準として設定
した目標ＺＭＰ位置を連結してなるＺＭＰ目標軌道を算
出するようにしてもよい。

【００３９】また、前記ＺＭＰ目標軌道算出手段又はス
テップは、各ＺＭＰ安定領域の略中心よりも次の進行方
向寄りに設定した目標ＺＭＰ位置を連結してなるＺＭＰ
目標軌道を算出するようにしてもよい。

【００４０】また、前記ＺＭＰ目標軌道算出手段又はス
テップは、各ＺＭＰ安定領域の略中心に設定した目標Ｚ
ＭＰ位置を連結してなるＺＭＰ目標軌道を算出するよう
にしてもよい。

【００４１】また、脚式移動ロボットの動作制御システ
ム又は動作制御方法は、さらに、算出された目標ＺＭＰ
軌道を実現する前記脚式移動ロボットの運動パターンを
生成する運動パターン生成手段を備えてもよい。

【００４２】このような場合、さらに、該生成された運
動パターンが前記脚式移動ロボットの仕様を満足するか
否かを判断する仕様判断手段と、否定的な仕様判断結果
に応答して、該仕様の不足量に基づいて目標ＺＭＰ軌道
を修正する目標ＺＭＰ軌道修正手段と、を備えること
で、実現可能で且つ効率的な目標ＺＭＰ軌道を探索する
ことができる。

【００４３】あるいは、さらに、該生成された運動パタ
ーンに基づいて実現される実現ＺＭＰ軌道を算出する実
現ＺＭＰ算出手段と、目標ＺＭＰ軌道と実現ＺＭＰ軌道
間のＺＭＰ誤差を算出するＺＭＰ誤差算出手段と、ＺＭ
Ｐ誤差が所定値を越えたことに応答して、該ＺＭＰ誤差
に基づいて目標ＺＭＰ軌道を修正する目標ＺＭＰ軌道修
正手段と、を備えることで、実現可能で且つ効率的な目
標ＺＭＰ軌道を探索することができる。

【００４４】

【作用】本発明では、いわゆるＺＭＰを安定度判別規範
として用いて脚式移動ロボットの効率的な動作制御を行
うようになっている。

【００４５】より具体的には、安定歩行可能なＺＭＰ位
置の移動量が最小となるようなＺＭＰ目標軌道を利用し
て、脚式移動ロボットの歩行その他の動作パターンを生
成することができる。

【００４６】脚式移動ロボットがＺＭＰ位置の移動量が
最小となるＺＭＰ目標軌道を辿る場合、ＺＭＰ位置は、
足底接地点からなる支持多角形で定まる安定領域の中心
よりも進行方向寄りの場所に設定される傾向をとる。

【００４７】例えば、左右それぞれの脚部が立脚及び遊
脚を交互に繰り返して通常の２足歩行を実行する場合、
ＺＭＰ位置は、常に安定領域の中心よりも前方寄りの場
所に設定される。したがって、歩行期間中におけるＺＭ
Ｐ位置の移動距離は最小となり、その分だけ動作完了ま
での所要時間が短縮化され、より速く移動することが可
能となる。また、ＺＭＰ位置を安定領域の中心よりも進
行方向すなわち前方寄りの場所に設定するためには、脚
式移動ロボットの重心位置Ｇは必然的に進行方向寄りに
移動するので、より大きな加速度を発生させることが比
較的容易となり、動作遷移が効率化するとともに、敏捷
な動作が実現可能となる。

【００４８】同様に、横方向に移動開始する場合におい
ても、ＺＭＰ位置は、安定領域の中心よりも進行方向す
なわち他方の足底寄りの場所に設定される。したがっ
て、ＺＭＰ位置の移動距離は最小となり、その分だけ動
作完了までの所要時間が短縮化され、素早い動作を実現
することが可能となる。また、横方向に歩行中の脚式移
動ロボットの重心位置Ｇが他方の足側寄りに移動してい
るので、一方の足が外側に向かって床面を蹴り出す力
や、進行方向すなわち横方向に印加される加速力の成分
は必然的に大きくなる。この結果、より速く移動を開始
するときや移動方向を変更するときに必要なより大きな
加速度を発生させることが比較的容易となり、動作遷移
が効率化するとともに、敏捷な動作が実現可能となる。

【００４９】すなわち、ＺＭＰ位置の移動量が最小とな
るＺＭＰ目標軌道を利用することによって、次の動作や
姿勢へ円滑且つ安定的に遷移することができるような、
効果的なＺＭＰ位置設定を行うことができる。

【００５０】また、本発明によれば、脚式移動ロボット
の動作遷移の効率よりも歩行安定性を優先して、安定余
裕が最大となる場所にＺＭＰ位置が設定されるようなＺ
ＭＰ目標軌道を算出することもできる。

【００５１】本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、
後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳
細な説明によって明らかになるであろう。

【００５２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を詳解する。

【００５３】図１及び図２には、本発明の実施に供され
る「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボット１００
が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した
様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット１０
０は、脚式移動を行う左右２足の下肢と、体幹部と、左
右の上肢と、頭部とで構成される。

【００５４】左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、
脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体
幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の
上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節
によって体幹部上方の左右各側縁にて連結されている。
また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に
連結されている。

【００５５】体幹部ユニット内には、図１及び図２上で
は見えていない制御部が配備されている。この制御部
は、脚式移動ロボット１００を構成する各関節アクチュ
エータの駆動制御や各センサ（後述）などからの外部入
力を処理するコントローラ（主制御部）や、電源回路そ
の他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、そ
の他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を
含んでいてもよい。

【００５６】図３には、本実施例に係る脚式移動ロボッ
ト１００が具備する関節自由度構成を模式的に示してい
る。図示の通り、脚式移動ロボット１００は、２本の腕
部と頭部１を含む上体と、移動動作を実現する２本の脚
部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで
構成される。

【００５７】頭部１を支持する首関節は、首関節ヨー軸
２と、首関節ピッチ軸３と、首関節ロール軸４という３
自由度を有している。

【００５８】また、各腕部は、肩関節ピッチ軸８と、肩
関節ロール軸９と、上腕ヨー軸１０と、肘関節ピッチ軸
１１と、前腕ヨー軸１２と、手首関節ピッチ軸１３と、
手首関節ロール軸１４と、手部１５とで構成される。手
部１５は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由
度構造体である。但し、手部１５の動作自体は、ロボッ
ト１００の姿勢安定制御や歩行動作制御に対する寄与や
影響が少ないので、本明細書ではゼロ自由度と仮定す
る。したがって、左右の各腕部は７自由度を有するとす
る。

【００５９】また、体幹部は、体幹ピッチ軸５と、体幹
ロール軸６と、体幹ヨー軸７という３自由度を有する。

【００６０】また、下肢を構成する左右各々の脚部は、
股関節ヨー軸１６と、股関節ピッチ軸１７と、股関節ロ
ール軸１８と、膝関節ピッチ軸１９と、足首関節ピッチ
軸２０と、関節ロール軸２１と、足部（足底又は足平）
２２とで構成される。股関節ピッチ軸１７と股関節ロー
ル軸１８の交点は、本実施例に係るロボット１００の股
関節位置を定義するものとする。人体の足部（足底）２
２は、実際には多関節・多自由度の足底を含んだ構造体
であるが、本実施例に係る脚式移動ロボット１００の足
底はゼロ自由度とする。したがって、左右の各脚部は６
自由度で構成される。

【００６１】以上を総括すれば、本実施例に係る脚式移
動ロボット１００全体としては、合計で３＋７×２＋３
＋６×２＝３２自由度を有することになる。但し、脚式
移動ロボット１００が必ずしも３２自由度に限定される
訳ではない。設計・製作上の制約条件や要求仕様等に応
じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができ
ることは言うまでもない。

【００６２】脚式移動ロボット１００が持つ上述の各関
節自由度は、実際にはアクチュエータによる能動的な動
作として実現される。装置の外観上で余分な膨らみを排
してヒトの自然体形状に近似させることや、２足歩行と
いう不安定構造体に対して姿勢制御を行うことなどの種
々の要請から、関節アクチュエータは小型且つ軽量であ
ることが好ましい。本実施例では、ギア直結型で且つサ
ーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵
したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータを搭載す
ることとした。なお、脚式ロボットに適用可能な小型Ａ
Ｃサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人
に既に譲渡されている特願平１１−３３３８６号明細書
に開示されている。

【００６３】図４には、本実施例に係る脚式移動ロボッ
ト１００の制御システム構成を模式的に示している。同
図に示すように、該システムは、ユーザ入力などに動的
に反応して情緒判断や感情表現を司る思考制御モジュー
ル２００と、関節アクチュエータの駆動などロボットの
全身協調運動を制御する運動制御モジュール３００とで
構成される。

【００６４】思考制御モジュール２００は、情緒判断や
感情表現に関する演算処理を実行するＣＰＵ（Central
Processing Unit）２１１や、ＲＡＭ（Random Access M
emory）２１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）２１３、
及び、外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブなど）
２１４で構成される、自己完結処理を行うことができる
独立した情報処理装置である。

【００６５】思考制御モジュール２００には、ＣＣＤ
（Charge Coupled Device）カメラなどの画像入力装置
２５１や、マイクなどの音声入力装置２５２、スピーカ
などの音声出力装置２５３、ＬＡＮ（Local Area Netwo
rk：図示しない）などを経由してロボット１００外のシ
ステムとデータ交換を行う通信インターフェース２５４
など各種の装置が、バス・インターフェース２０１経由
で接続されている。

【００６６】思考制御モジュール２００では、画像入力
装置２５１から入力される視覚データや音声入力装置２
５２から入力される聴覚データなど、外界からの刺激な
どに従って、脚式移動ロボット１００の現在の感情や意
思を決定する。さらに、意思決定に基づいた振舞い又は
行動、すなわち四肢の運動を実行するように、運動制御
モジュール３００に対して指令を発行する。

【００６７】一方の運動制御モジュール３００は、ロボ
ット１００の全身協調運動を制御するＣＰＵ（Central
Processing Unit）３１１や、ＲＡＭ（Random Access M
emory）３１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）３１３、
及び、外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブなど）
３１４で構成される、自己完結処理を行うことができる
独立した情報処理装置である。外部記憶装置３１４に
は、例えば、オフラインで算出された歩行パターンやＺ
ＭＰ目標軌道、その他の行動計画を蓄積することができ
る。

【００６８】運動制御モジュール３００には、ロボット
１００の全身に分散するそれぞれの関節自由度を実現す
る関節アクチュエータ（図３を参照のこと）、体幹部の
姿勢や傾斜を計測する姿勢センサ３５１、左右の足底の
離床又は着床を検出する接地確認センサ３５２及び３５
３、バッテリなどの電源を管理する電源制御装置などの
各種の装置が、バス・インターフェース３０１経由で接
続されている。

【００６９】運動制御モジュール３００では、思考制御
モジュール２００から指示された行動を体現すべく、各
関節アクチュエータによる全身協調運動を制御する。す
なわち、ＣＰＵ３１１は、思考制御モジュール２００か
ら指示された行動に応じた動作パターンを外部記憶装置
３１４から取り出し、又は、内部的に動作パターンを生
成する。そして、ＣＰＵ３１１は、指定された動作パタ
ーンに従って、足部運動、ＺＭＰ（Zero Moment Poin
t）軌道、体幹運動、上肢運動、腰部水平位置及び高さ
などを設定するとともに、これらの設定内容に従った動
作を指示する指令値を各関節アクチュエータに転送する
（「ＺＭＰ」とは、歩行中の床反力によるモーメントが
ゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ＺＭＰ軌
道」とは、例えばロボット１００の歩行動作期間中など
にＺＭＰが動く軌跡を意味する）。

【００７０】また、ＣＰＵ３１１は、姿勢センサ３５１
の出力信号によりロボット１００の体幹部分の姿勢や傾
きを検出するとともに、各接地確認センサ３５２及び３
５３の出力信号により各可動脚が遊脚又は立脚のいずれ
の状態であるかを検出することによって、脚式移動ロボ
ット１００の全身協調運動を適応的に制御することがで
きる。

【００７１】さらに、運動制御モジュール３００は、思
考制御モジュール２００において決定された意思通りの
行動がどの程度体現されたか、すなわち処理の状況を、
思考制御モジュール２００に返すようになっている。

【００７２】思考制御モジュール２００と運動制御モジ
ュール３００は、共通のプラットフォーム上で構築さ
れ、両者間はバス・インターフェース２０１及び３０１
を介して相互接続されている。

【００７３】次いで、本実施例に係る脚式移動ロボット
１００の歩行制御について説明する。

【００７４】脚式移動ロボット１００は、例えば、歩行
などの脚式作業の動作パターンを予めオフラインで計算
してメモリなどに格納しておく。そして、所定の動作パ
ターンをメモリなどから逐次読み出して各関節アクチュ
エータの駆動制御を実行することで、計算された動作パ
ターン通りの脚式作業を実現することができる。

【００７５】本実施例では、ＺＭＰを安定度判別規範と
して用いて動作パターンを生成する。さらに具体的に言
えば、安定歩行可能なＺＭＰ位置の移動量が最小となる
ようなＺＭＰ目標軌道を利用して動作パターンを生成す
るようになっている。ＺＭＰ位置の移動量が最小となる
ＺＭＰ目標軌道を利用することによって、次の動作や姿
勢へ円滑且つ安定的に遷移することができるような、効
果的なＺＭＰ位置設定を行うことができる。

【００７６】図５及び図６には、安定歩行可能なＺＭＰ
位置の移動量が最小となるようなＺＭＰ目標軌道を算出
するための処理手順をフローチャートの形式で図解して
いる。以下、このフローチャートに従って説明する。

【００７７】まず、歩行路面を設定するとともに（ステ
ップＳ１１）、この設定した歩行路面に基づいて足部運
動パターンを設定する（ステップＳ１９）。足部運動パ
ターンは、ｘｙｚ各座標値及び時刻ｔの関数である。

【００７８】次いで、設定された歩行路面及び足部運動
パターン（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）に基づいて、足底接地点を
算出する（ステップＳ１２）。足底接地点は、ｘｙｚ各
座標値及び時刻ｔの関数である。

【００７９】次いで、足底接地点（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）に
よって形成される支持多角形を算出する（ステップＳ１
３）。支持多角形は時刻ｔの関数である。

【００８０】この結果、理想的安定領域が求まる（ステ
ップＳ１４）。理想的安定領域は、ｘｙｚ各座標値及び
時刻ｔの関数である。

【００８１】この理想的安定領域（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）、
並びに、別途算出されているＺＭＰ制御最大誤差群（Ｓ
２０）を基に、実質的安定領域を算出する（ステップＳ
１５）。実質的安定領域は、ｘｙｚ各座標値及び時刻ｔ
の関数である。この結果、安定領域が求まる（ステップ
Ｓ１６）。この安定領域も、ｘｙｚ各座標値及び時刻ｔ
の関数である。

【００８２】次いで、ＺＭＰ群を算出する（ステップＳ
１７）。このＺＭＰ群はｘｙｚ各座標値及び時刻ｔの関
数である。

【００８３】そして、時刻ｔ＝０〜Ｔにおける、ＺＭＰ
移動量が最小となるようなＺＭＰ目標軌跡を算出する
（ステップＳ１８）。

【００８４】次いで、算出されたＺＭＰ目標軌道（ｘ，
ｙ，ｚ，ｔ＝０〜Ｔ）を基にして（Ｓ２１）、このＺＭ
Ｐ目標軌道を実現する全身運動パターンを算出する（ス
テップＳ２２）。全身運動パターンの算出処理は、別途
定義済みの処理フローによって実現されるが、その詳細
は後述に譲る。

【００８５】次いで、生成された全身運動パターンが、
適用機械モデルの仕様を満たしているか否かをチェック
する（ステップＳ２３）。この場合の適用機械モデルと
は脚式ロボット１００のことであり、また、その仕様と
は各関節の可動角、関節角速度、関節角速度、関節角加
速度、関節トルクなどで構成される。

【００８６】算出された全身運動パターンが適用機械モ
デルの仕様を満たしていない場合には、適用機械モデル
の仕様に対する不足量を用いたＺＭＰ目標軌道の修正を
行う（ステップＳ２９）。そして、この新たなＺＭＰ目
標軌道を実現する全身運動パターンを再度算出する（ス
テップＳ２２）。

【００８７】他方、算出された全身運動パターンが適用
機械モデルの仕様を満たす場合には、適用機械モデルと
算出された全身運動パターンを用いて、実現ＺＭＰの軌
道を算出する（ステップＳ２４）。ＺＭＰ軌道はｘｙｚ
各座標値及び時刻ｔの関数である。但し、数学的演算処
理によりＺＭＰ軌道の厳密解又は非厳密解を求めるので
はなく、推定、あるいは実験・試行錯誤によりＺＭＰ軌
道を特定するのであってもよい。

【００８８】次いで、時刻ｔ＝０〜ＴにおけるＺＭＰの
誤差を算出して（ステップＳ２５）、この誤差が許容値
以下か否かをチェックする（ステップＳ２６）。

【００８９】ＺＭＰ誤差が許容値を越える場合には、ス
テップＳ２８に進み、ＺＭＰ誤差を用いたＺＭＰ目標軌
道の修正を行う。そして、この新たなＺＭＰ目標軌道を
実現する全身運動パターンを再度算出して（ステップＳ
２２）、上述と同様の処理を繰り返し実行する。

【００９０】他方、ＺＭＰ誤差が許容値以下に収まった
場合には、算出されたＺＭＰ目標軌道をＺＭＰ移動量が
最小となり且つ安定歩行可能なＺＭＰ目標軌道（Ｓ２
７）として出力するとともに、本処理ルーチン全体を終
了する。

【００９１】ＺＭＰ位置の移動量が最小となるＺＭＰ目
標軌道を辿る場合、ＺＭＰ位置は、足底接地点からなる
支持多角形で定まる安定領域の中心よりも進行方向寄り
の場所に設定される傾向をとる。

【００９２】例えば、左右それぞれの脚部が立脚及び遊
脚を交互に繰り返して通常の２足歩行を実行する場合、
図７に示すように、ＺＭＰ位置は、常に安定領域の中心
よりも進行方向すなわち前方寄りの場所に設定される。
また、この期間中のＺＭＰ軌跡は図８に示す通りとな
る。

【００９３】したがって、本実施例に従えば、左右それ
ぞれの脚部が立脚及び遊脚を交互に遷移する期間中にお
けるＺＭＰ位置の移動距離は最小となり、その分だけ動
作完了までの所要時間が短縮化され、より速く移動する
ことが可能となる。

【００９４】また、ＺＭＰ位置を安定領域の中心よりも
進行方向すなわち前方寄りの場所に設定するためには、
適用機械すなわち脚式移動ロボット１００の重心位置Ｇ
は必然的に進行方向寄りに移動する。

【００９５】図９には、前方に歩行中の脚式移動ロボッ
ト１００を描写しているが、その重心位置Ｇが前方に移
動しているので、後足が後方に向かって床面を蹴り出す
力や、進行方向すなわち前方に印加される加速力の成分
は必然的に大きくなる。この結果、より速く移動を開始
するときや移動方向を変更するときに必要なより大きな
加速度を発生させることが比較的容易となり、動作遷移
が効率化するとともに、敏捷な動作が実現可能となる。

【００９６】前方に向かう敏捷な動作は、脚式ロボット
が例えばサッカー・ゲームのような大きな加速度の変化
を必要とするスポーツをプレイするときに、極めて有効
である。

【００９７】さらに、図７〜図９に示すように脚式移動
ロボット１００が前方方向に移動する場合だけでなく、
横方向に移動開始する場合においても、同様に効果を奏
することができる。このような場合、ＺＭＰ位置は、図
１０に示すように常に安定領域の中心よりも進行方向す
なわち他方の足底寄りの場所に設定される。したがっ
て、ＺＭＰ位置の移動距離は最小となり、その分だけ動
作完了までの所要時間が短縮化され、素早い動作を実現
することが可能となる。

【００９８】また、図１１には、横方向に歩行中の脚式
移動ロボット１００を描写しているが、その重心位置Ｇ
が他方の足側寄りに移動しているので、一方の足が外側
に向かって床面を蹴り出す力や、進行方向すなわち横方
向に印加される加速力の成分は必然的に大きくなる。こ
の結果、より速く移動を開始するときや移動方向を変更
するときに必要なより大きな加速度を発生させることが
比較的容易となり、動作遷移が効率化するとともに、敏
捷な動作が実現可能となる。

【００９９】横方向の敏捷な動作は、脚式ロボットが例
えばサッカー・ゲームのような大きな加速度の変化並び
に素早い方向転換を必要とするスポーツをプレイすると
きに、極めて有効である。

【０１００】図１２及び図１３には、ＺＭＰ目標軌道を
算出する処理手順の他の例について、フローチャートの
形式で図解している。この実施例では、安定余裕が最大
となる場所、より具体的には、安定領域のほぼ中心にＺ
ＭＰ位置が設定されるようなＺＭＰ目標軌道を算出する
ことができる。以下、このフローチャートに従って説明
する。

【０１０１】まず、歩行路面を設定するとともに（ステ
ップＳ４１）、この設定した歩行路面に基づいて足部運
動パターンを設定する（ステップＳ４８）。足部運動パ
ターンは、ｘｙｚ各座標値及び時刻ｔの関数である。

【０１０２】次いで、設定された歩行路面及び足部運動
パターン（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）に基づいて、足底接地点を
算出する（ステップＳ４２）。足底接地点は、ｘｙｚ各
座標値及び時刻ｔの関数である。

【０１０３】次いで、足底接地点（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）に
よって形成される支持多角形を算出する（ステップＳ４
３）。支持多角形は時刻ｔの関数である。

【０１０４】この結果、理想的安定領域が求まる（ステ
ップＳ４４）。理想的安定領域は、ｘｙｚ各座標値及び
時刻ｔの関数である。

【０１０５】この理想的安定領域（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）、
並びに、別途算出されているＺＭＰ制御最大誤差群（Ｓ
４９）を基に、実質的安定領域を算出する（ステップＳ
４５）。実質的安定領域は、ｘｙｚ各座標値及び時刻ｔ
の関数である。この結果、安定領域が求まる（ステップ
Ｓ４６）。この安定領域も、ｘｙｚ各座標値及び時刻ｔ
の関数である。

【０１０６】そして、安定領域の重心位置をＺＭＰ位置
として、時刻ｔ＝０〜ＴにおけるＺＭＰ目標軌跡を算出
する（ステップＳ４７）。

【０１０７】次いで、算出されたＺＭＰ目標軌道（ｘ，
ｙ，ｚ，ｔ＝０〜Ｔ）を基にして（Ｓ５１）、このＺＭ
Ｐ目標軌道を実現する全身運動パターンを算出する（ス
テップＳ５２）。全身運動パターンの算出処理は別途定
義済みの処理フローによって実現されるが、その詳細は
後述に譲る。

【０１０８】次いで、生成された全身運動パターンが、
適用機械モデルの仕様を満たしているか否かをチェック
する（ステップＳ５３）。この場合の適用機械モデルと
は脚式ロボット１００のことであり、また、その仕様と
は各関節の可動角、関節角速度、関節角速度、関節角加
速度、関節トルクなどで構成される。

【０１０９】算出された全身運動パターンが適用機械モ
デルの仕様を満たしていない場合には、適用機械モデル
の仕様に対する不足量を用いたＺＭＰ目標軌道の修正を
行う（ステップＳ５９）。そして、この新たなＺＭＰ目
標軌道を実現する全身運動パターンを再度算出する（ス
テップＳ５２）。

【０１１０】他方、算出された全身運動パターンが適用
機械モデルの仕様を満たす場合には、適用機械モデルと
算出された全身運動パターンを用いて、実現ＺＭＰの軌
道を算出する（ステップＳ５４）。ＺＭＰ軌道はｘｙｚ
各座標値及び時刻ｔの関数である。但し、数学的演算処
理によりＺＭＰ軌道の厳密解又は非厳密解を求めるので
はなく、推定、あるいは実験・試行錯誤によりＺＭＰ軌
道を特定するのであってもよい。

【０１１１】次いで、時刻ｔ＝０〜ＴにおけるＺＭＰの
誤差を算出して（ステップＳ５５）、この誤差が許容値
以下か否かをチェックする（ステップＳ５６）。

【０１１２】ＺＭＰ誤差が許容値を越える場合には、ス
テップＳ５８に進み、ＺＭＰ誤差を用いたＺＭＰ目標軌
道の修正を行う。そして、この新たなＺＭＰ目標軌道を
実現する全身運動パターンを再度算出して（ステップＳ
５２）、上述と同様の処理を繰り返し実行する。

【０１１３】他方、ＺＭＰ誤差が許容値以下に収まった
場合には、算出されたＺＭＰ目標軌道を安定余裕が最大
となるＺＭＰ目標軌道（Ｓ７７）として出力するととも
に、本処理ルーチン全体を終了する。

【０１１４】図１２及び図１３に示す処理ルーチンによ
れば、脚式移動ロボット１００の動作遷移の効率よりも
歩行安定性を優先したＺＭＰ目標軌道及び動作パターン
を生成することができる。

【０１１５】最後に、図９におけるステップＳ２２、並
びに、図１３におけるステップＳ５２において実行する
全身運動パターンの算出処理について説明しておく。

【０１１６】本実施例では、全身運動パターン算出のた
めに、図１〜図３に示す構造の脚式移動ロボット１００
を図１４及び［数１］（後述）に示すような線形且つ非
干渉の多質点近似モデルに置き換えて計算することにし
た。

【０１１７】図１４において、Ｏ−ＸＹＺ座標系は絶対
座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表し、ま
た、Ｏ^'−Ｘ^'Ｙ^'Ｚ^'座標系は脚式移動ロボット１００と
ともに動く運動座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各
軸を表している。同図に示す多質点モデルでは、ｉはｉ
番目に与えられた質点を表す添え字であり、ｍ_iはｉ番
目の質点の質量、ｒ^' _iはｉ番目の質点の位置ベクトル
（但し運動座標系）を表すものとする。また、後述する
全身協調運動パターン生成処理において特に重要な腰部
質点の質量はｍ_h、その位置ベクトルはｒ^' _h（ｒ^' _hx，ｒ
^' _hy，ｒ^' _hz）とし、また、ＺＭＰの位置ベクトルをｒ^'
_zmpとする。

【０１１８】図１４に示す非厳密の多質点近似モデルに
おいては、モーメント式は線形方程式の形式で記述さ
れ、該モーメント式はピッチ軸及びロール軸に関して干
渉しない、という点を充分理解されたい。

【０１１９】このような多質点近似モデルは、概ね以下
の処理手順により生成することができる。すなわち、 （１）ロボット１００全体の質量分布を求める。 （２）質点を設定する。質点の設定方法は、設計者のマ
ニュアル入力であっても、所定の規則に従った自動生成
のいずれでも構わない。 （３）各領域i毎に、重心を求め、その重心位置と質量
ｍ_iを該当する質点に付与する。 （４）各質点ｍ_iを、質点位置ｒ_iを中心とし、その質量
に比例した半径に持つ球体として表示する。 （５）現実に連結関係のある質点すなわち球体同士を連
結する。

【０１２０】多質点モデルは、言わば、ワイヤフレーム
・モデルの形態でロボットを表現したものである。本実
施例では、図１４を見ても判るように、この多質点近似
モデルは、両肩、両肘、両手首、体幹、腰部、及び、両
足首の各々を質点として設定したものである。

【０１２１】なお、図１４に示す多質点モデルの腰部情
報における各回転角（θ_hx，θ_hy，θ_hz）は、脚式移動
ロボット１００における腰部の姿勢すなわちロール、ピ
ッチ、ヨー軸の回転を規定するものである（図１５に
は、多質点モデルの腰部周辺の拡大図を示しているの
で、確認されたい）。

【０１２２】次いで、上記の多質点近似モデルを用いて
脚式移動ロボット１００の全身運動パターンを生成する
ための処理手順について説明する。

【０１２３】図１６には、脚式移動ロボット１００全身
運動パターンを生成するための処理手順をフローチャー
トの形式で示している。但し、以下では、図１４に示す
線形・非干渉多質点近似モデルを用いてロボット１００
の各関節位置や動作を記述するものとし、且つ、計算に
際して下式のようなパラメータを用いることとする。但
し、ダッシュ（'）付きの記号は運動座標系を記述する
ものと理解されたい。

【０１２４】

【数１】

【０１２５】また、ロボット１００の腰部高さが一定
（ｒ'_hz＋ｒ_qz＝const）で、且つ、膝部質点がゼロであ
ることを前提とする。以下、図１６に示すフローチャー
トに従って説明する。

【０１２６】まず、図５のステップＳ１９（又は図１２
のステップＳ４８）で与えられる足部運動、足部運動か
ら導出されたＺＭＰ目標軌道（図６のＳ２１又は図１３
のＳ５１）、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢や高さな
ど、各部の駆動・動作を実際に決定するためのパターン
が設定される（ステップＳ１１１）。但し、腰部の運動
に関しては、Ｚ^'方向のみ設定し、Ｘ^'及びＹ^'の各方向
については未知とする。

【０１２７】次いで、線形・非干渉多質点近似モデルを
用いて、足部、体幹、そして上肢運動により発生する設
定ＺＭＰ上でのピッチ軸、ロール軸まわりの各モーメン
ト（Ｍ_x，Ｍ_y）を算出する（ステップＳ１１２）。

【０１２８】次いで、線形・非干渉多質点近似モデルを
用いて、腰部水平面内運動（ｒ^' _hx，ｒ^' _hy）によって発
生する設定ＺＭＰ上でのモーメントを算出する（ステッ
プＳ１１３）。

【０１２９】次いで、設定ＺＭＰ上におけるモーメント
に関する釣り合い式を、ロボットとともに動く運動座標
系Ｏ^'−Ｘ^'Ｙ^'Ｚ^'上で導出する（ステップＳ１１４）。
より具体的には、足部、体幹、そして上肢運動により発
生するモーメント（Ｍ_x，Ｍ_y）を既知変数の項として右
辺に、腰部質点の水平運動に関する項（ｒ_hx，ｒ_hy）を
未知変数の項として左辺にまとめ、下式に示すような線
形・非干渉なＺＭＰ方程式（１）を導出する。

【０１３０】

【数２】

【０１３１】但し、以下が成立するものとする。

【０１３２】

【数３】

【０１３３】次いで、上記のＺＭＰ方程式（１）を解い
て、腰部水平面内軌道を算出する（ステップＳ１１
５）。例えば、オイラー法やルンゲ・クッタ法などの数
値的解法（周知）を用いてＺＭＰ方程式（１）を解くこ
とで、未知変数としての腰部の水平絶対位置（ｒ_hx，ｒ
_hy）の数値解を求めることができる（ステップＳ１１
６）。ここで求められる数値解は、安定歩行可能な腰部
運動パターンの近似解であり、より具体的にはＺＭＰが
目標位置に入るような腰部水平絶対位置である。ＺＭＰ
目標位置は、通常、着床した足底に設定される。

【０１３４】算出された近似解上では予め設定した体幹
・上肢運動が実現できない場合には、体幹・上肢運動パタ
ーンの再設定・修正を行う（ステップＳ１１７）。この
際、膝部の軌道を算出してもよい。

【０１３５】次いで、上述のようにして得られた全身運
動パターンを代入して、厳密モデル（すなわち、剛体、
若しくは非常に多くの質点からなるロボット１００の精
密なモデル）における設定ＺＭＰ上のモーメント（ｅＭ
_x，ｅＭ_y）を算出する（ステップＳ１１８）。非厳密モ
デルでは上記の［数３］が成立することを前提とした
が、厳密ではかかる前提を要しない（すなわち時間の変
化に対して一定である必要はない）。

【０１３６】厳密モデルにおけるモーメント（ｅＭ_x，
ｅＭ_y）は、腰部運動の発生するモーメント誤差であ
る。続くステップＳ１１９では、このモーメント（ｅＭ
_x，ｅＭ_y）が非厳密モデルにおける近似モーメントの許
容値（εＭ_x，εＭ_y）未満か否かを判定する。許容値ε
未満であれば、腰部安定運動パターンの厳密解及び安定
歩行を実現できる（ステップＳ１２０）。本実施例のよ
うに片足が６自由度を持つ脚式ロボット（図３を参照の
こと）の場合、各足部の位置と腰部の水平位置及び高さ
によって両脚の姿勢が一意に定まる。すなわち、腰部運
動パターンを生成することはロボット１００の「歩容」
すなわち全身運動パターンを決定すること相当する。そ
こで、ステップＳ１２０を以って本ルーチン全体を終了
する。

【０１３７】他方、厳密モデルにおけるモーメント（ｅ
Ｍ_x，ｅＭ_y）が近似モデルにおけるモーメントの許容値
（εＭ_x，εＭ_y）以上であった場合には、厳密モデルに
おけるモーメント（ｅＭ_x，ｅＭ_y）を用いて近似モデル
における既知発生モーメント（Ｍ_x，Ｍ_y）を修正して
（ステップＳ１２１）、再びＺＭＰ方程式の導出を行
い、許容値ε未満に収束するまで、腰部運動パターンの
近似解の算出と修正を繰り返し実行する。

【０１３８】また、図１７には、脚式移動ロボット１０
０全身運動パターンを生成する処理手順の他の例をフロ
ーチャートの形式で示している。但し、図１６に示した
例と同様に、線形・非干渉多質点近似モデルを用いてロ
ボット１００の各関節位置や動作を記述するものとす
る。

【０１３９】まず、図５のステップＳ１９（又は図１２
のステップＳ４８）で与えられる足部運動、足部運動か
ら導出されたＺＭＰ目標軌道（図６のＳ２１又は図１３
のＳ５１）、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢や高さな
ど、各部の駆動・動作を実際に決定するためのパターン
が設定される（ステップＳ１３１）。但し、腰部の運動
に関しては、Ｚ^'方向のみ設定し、Ｘ^'及びＹ^'の各方向
については未知とする。

【０１４０】次いで、線形・非干渉多質点近似モデルを
用いて、足部、体幹、そして上肢運動により発生する設
定ＺＭＰ上でのピッチ軸、ロール軸まわりの各モーメン
ト（Ｍ_x，Ｍ_y）を算出する（ステップＳ１３２）。

【０１４１】次いで、腰部水平面内運動（ｒ^' _hx，
ｒ^' _hy）をフーリエ級数展開する（ステップＳ１３
３）。当業界において既に周知のように、フーリエ級数
展開することにより、時間軸成分を周波数成分に置き換
えて演算することができる。すなわち、この場合には腰
部の動きを周期的な動きとして捉えることができる。ま
た、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を適用することができ
るので、計算速度を大幅に向上させることができる。

【０１４２】次いで、設定ＺＭＰ上でのピッチ軸、ロー
ル軸まわりの各モーメント（Ｍ_x，Ｍ_y）についてもフー
リエ級数展開する（ステップＳ１３４）。

【０１４３】次いで、腰部水平面内軌道のフーリエ係数
を算出し、さらに逆フーリエ級数展開することで（ステ
ップＳ１３５）、腰部運動の近似解が求まる（ステップ
Ｓ１３６）。ここで求められる近似解は、安定歩行可能
な腰部運動パターンを規定する腰部の水平絶対位置の近
似解（ｒ_hx，ｒ_hy）であり、より具体的にはＺＭＰが目
標位置に入るような腰部水平絶対位置である。ＺＭＰ目
標位置は、通常、着床した足底に設定される。

【０１４４】算出された近似解上では予め設定した体幹
・上肢運動が実現できない場合には、体幹・上肢運動パタ
ーンの再設定・修正を行う（ステップＳ１３７）。この
際、膝部の軌道を算出してもよい。

【０１４５】次いで、上述のようにして得られた全身運
動パターンを代入して、厳密モデル（すなわち、剛体、
若しくは非常に多くの質点からなるロボット１００の精
密なモデル）における設定ＺＭＰ上のモーメント（ｅＭ
_x，ｅＭ_y）を算出する（ステップＳ１３８）。非厳密モ
デルでは上記の［数３］が成立することを前提とした
が、厳密ではかかる前提を要しない（すなわち時間の変
化に対して一定である必要はない）。

【０１４６】厳密モデルにおけるモーメント（ｅＭ_x，
ｅＭ_y）は、腰部運動の発生するモーメント誤差であ
る。続くステップＳ１３９では、このモーメント（ｅＭ
_x，ｅＭ_y）が近似モデルにおけるモーメントの許容値
（εＭ_x，εＭ_y）未満か否かを判定する。許容値ε未満
であれば、腰部安定運動パターンの厳密解及び安定歩行
を実現できる全身運動パターンを得ることができたこと
になるので（ステップＳ１４０）、本ルーチン全体を終
了する。

【０１４７】他方、厳密モデルにおけるモーメント（ｅ
Ｍ_x，ｅＭ_y）が近似モデルにおけるモーメントの許容値
（εＭ_x，εＭ_y）以上であった場合には、厳密モデルに
おけるモーメント（ｅＭ_x，ｅＭ_y）を用いて非厳密モデ
ルにおける既知発生モーメント（Ｍ_x，Ｍ_y）を修正して
（ステップＳ１４１）、再びフーリエ級数展開して、許
容値ε未満に収束するまで、腰部運動パターンの近似解
の算出と修正を繰り返し実行する。

【０１４８】［追補］以上、特定の実施例を参照しなが
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示とい
う形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈
されるべきではない。本発明の要旨を判断するために
は、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきで
ある。

【０１４９】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
可動脚を用いた歩行その他の脚式移動作業を効果的に行
うことができる、優れた脚式移動ロボットの動作制御シ
ステム及び動作制御方法を提供することができる。

【０１５０】また、本発明によれば、ＺＭＰを歩行の安
定度判別の規範として用いて効率的な脚式移動作業を行
うことができる、優れた脚式移動ロボットの動作制御シ
ステム及び動作制御方法を提供することができる。

【０１５１】また、本発明によれば、ＺＭＰの位置設定
を効果的に制御することでロボットの動作遷移を円滑且
つ安定的に実行することができる、優れた脚式移動ロボ
ットの動作制御システム及び動作制御方法を提供するこ
とができる。

【０１５２】また、本発明によれば、２足による脚式作
業中における次の動作・姿勢への効率的な遷移を考慮し
てＺＭＰの位置設定を行うことができる、優れた脚式移
動ロボットの動作制御システム及び動作制御方法を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に供される脚式移動ロボット１０
０を前方から眺望した様子を示した図である。

【図２】本発明の実施に供される脚式移動ロボット１０
０を後方から眺望した様子を示した図である。

【図３】本実施例に係る脚式移動ロボット１００が具備
する自由度構成モデルを模式的に示した図である。

【図４】本実施例に係る脚式移動ロボット１００の制御
システム構成を模式的に示した図である。

【図５】安定歩行可能なＺＭＰ位置の移動量が最小とな
るようなＺＭＰ目標軌道を算出するための処理手順（前
半）を示したフローチャート（本実施例）である。

【図６】安定歩行可能なＺＭＰ位置の移動量が最小とな
るようなＺＭＰ目標軌道を算出するための処理手順（後
半）を示したフローチャート（本実施例）である。

【図７】安定領域の中心よりも進行方向寄りの場所にＺ
ＭＰ位置を設定した場合において、脚式移動ロボット１
００の左右それぞれの脚部が立脚及び遊脚を交互に繰り
返す通常の２足歩行期間中にＺＭＰ位置が移動する様子
を描写した図（本実施例）である。

【図８】安定領域の中心よりも進行方向寄りの場所にＺ
ＭＰ位置を設定した場合において、脚式移動ロボット１
００の左右それぞれの脚部が立脚及び遊脚を交互に繰り
返す通常の２足歩行期間中のＺＭＰ軌跡を描写した図
（本実施例）である。

【図９】安定領域の中心よりも進行方向寄りの場所にＺ
ＭＰ位置を設定した場合において、前方に歩行中の脚式
移動ロボット１００及びその重心位置Ｇを示した図（本
実施例）である。

【図１０】安定領域の中心よりも進行方向寄りの場所に
ＺＭＰ位置を設定した場合において、脚式移動ロボット
１００が横方向に移動する動作期間中にＺＭＰ位置が移
動する様子を描写した図（本実施例）である。

【図１１】安定領域の中心よりも進行方向寄りの場所に
ＺＭＰ位置を設定した場合において、横方向に歩行中の
脚式移動ロボット１００及びその重心位置Ｇを示した図
（本実施例）である。

【図１２】安定余裕が最大となる場所にＺＭＰ位置が設
定されるようなＺＭＰ目標軌道を算出するための処理手
順（前半）を示したフローチャート（他の実施例）であ
る。

【図１３】安定余裕が最大となる場所にＺＭＰ位置が設
定されるようなＺＭＰ目標軌道を算出するための処理手
順（後半）を示したフローチャート（他の実施例）であ
る。

【図１４】本実施例に係る歩行制御の計算のために導入
される、脚式移動ロボット１００の線形且つ非干渉の多
質点近似モデルを示した図である。

【図１５】図１４に示した脚式移動ロボット１００の多
質点近似モデルにおける腰部周辺の拡大図である。

【図１６】脚式移動ロボット１００の全身運動パターン
を生成するための処理手順を示したフローチャートであ
る。

【図１７】脚式移動ロボット１００の全身運動パターン
を生成する処理手順の他の例を示したフローチャートで
ある。

【図１８】足底接点の支持多角形で定義される安定領域
内に適当にＺＭＰを設定して前方歩行した場合におい
て、２足脚式ロボットの左右それぞれの脚部が立脚及び
遊脚を交互に繰り返す間にＺＭＰが移動する様子（従来
例）を示した図である。

【図１９】２足脚式ロボットの左右それぞれの脚部が立
脚及び遊脚を交互に繰り返す間にＺＭＰが安定領域内で
適当な軌跡で移動する様子（従来例）を示した図であ
る。

【図２０】支持多角形で定義される安定領域内の適当な
位置にＺＭＰを設定して２足の脚式ロボットが左右方向
に歩行した場合においてＺＭＰ位置が移動する様子（従
来例）を示した図である。

【図２１】安定領域内の適当な場所にＺＭＰ位置を設定
して２足脚式ロボットが前進歩行する様子及びその重心
位置Ｇ（従来例）を示した図である。

【図２２】安定領域内の適当な場所にＺＭＰ位置を設定
して２足脚式ロボットが横方向に歩行する様子及びその
重心位置Ｇ（従来例）を示した図である。

【符号の説明】

１…頭部，２…首関節ヨー軸 ３…首関節ピッチ軸，４…首関節ロール軸 ５…体幹ピッチ軸，６…体幹ロール軸 ７…体幹ヨー軸，８…肩関節ピッチ軸 ９…肩関節ロール軸，１０…上腕ヨー軸 １１…肘関節ピッチ軸，１２…前腕ヨー軸 １３…手首関節ピッチ軸，１４…手首関節ロール軸 １５…手部，１６…股関節ヨー軸 １７…股関節ピッチ軸，１８…股関節ロール軸 １９…膝関節ピッチ軸，２０…足首関節ピッチ軸 ２１…足首関節ロール軸，２２…足部（足底） １００…脚式移動ロボット ２００…思考制御モジュール ２０１…バス・インターフェース ２１１…ＣＰＵ，２１２…ＲＡＭ，２１３…ＲＯＭ ２１４…外部記憶装置 ２５１…画像入力装置（ＣＣＤカメラ） ２５２…音声入力装置（マイク） ２５３…音声出力装置（スピーカ） ２５４…通信インターフェース ３００…運動制御モジュール ３０１…バス・インターフェース ３１１…ＣＰＵ，３１２…ＲＡＭ，３１３…ＲＯＭ ３１４…外部記憶装置， ３５１…姿勢センサ ３５２，３５３…接地確認センサ ３５４…電源制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒木 義博 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 山口 仁一 東京都日野市多摩平５−14−38 Ｆターム(参考） 3F059 AA00 BA02 BB06 CA05 CA06 DA09 DB02 DC08 DD01 DD06 DD08 DD18 FA03 FA05 FA08 FB01 FB17 FB29 FC02 FC03 FC06 FC13 FC14

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも複数本の可動脚を備えた脚式移
   動ロボットのための動作制御システムであって、 所定動作実行中の各時刻毎のＺＭＰ安定領域を算出する
   安定領域算出手段と、 各時刻毎のＺＭＰ安定領域内の所定位置に設定した目標
   ＺＭＰ位置からなるＺＭＰ目標軌道を算出するＺＭＰ目
   標軌道算出手段と、を具備し、ＺＭＰ目標軌道に従って
   前記の所定動作の実行を制御することを特徴とする動作
   制御システム。
2. 【請求項２】前記安定領域算出手段は、各可動脚の足底
   接地点支持多角形に基づいて前記ＺＭＰ安定領域を算出
   することを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボッ
   トの動作制御システム。
3. 【請求項３】前記ＺＭＰ目標軌道算出手段は、各ＺＭＰ
   安定領域間のＺＭＰ移動量が最小となるＺＭＰ目標軌道
   を算出することを特徴とする請求項１に記載の脚式移動
   ロボットの動作制御システム。
4. 【請求項４】前記ＺＭＰ目標軌道算出手段は、各ＺＭＰ
   安定領域の略中心を基準として設定した目標ＺＭＰ位置
   を連結してなるＺＭＰ目標軌道を算出することを特徴と
   する請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御シス
   テム。
5. 【請求項５】前記ＺＭＰ目標軌道算出手段は、各ＺＭＰ
   安定領域の略中心よりも次の進行方向寄りに設定した目
   標ＺＭＰ位置を連結してなるＺＭＰ目標軌道を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの
   動作制御システム。
6. 【請求項６】前記ＺＭＰ目標軌道算出手段は、各ＺＭＰ
   安定領域の略中心に設定した目標ＺＭＰ位置を連結して
   なるＺＭＰ目標軌道を算出することを特徴とする請求項
   １に記載の脚式移動ロボットの動作制御システム。
7. 【請求項７】さらに、算出された目標ＺＭＰ軌道を実現
   する前記脚式移動ロボットの運動パターンを生成する運
   動パターン生成手段を具備することを特徴とする請求項
   １に記載の脚式移動ロボットの動作制御システム。
8. 【請求項８】さらに、 算出された目標ＺＭＰ軌道を実現する前記脚式移動ロボ
   ットの運動パターンを生成する運動パターン生成手段
   と、 該生成された運動パターンが前記脚式移動ロボットの仕
   様を満足するか否かを判断する仕様判断手段と、 否定的な仕様判断結果に応答して、該仕様の不足量に基
   づいて目標ＺＭＰ軌道を修正する目標ＺＭＰ軌道修正手
   段と、 を具備することを特徴とする請求項１に記載の脚式移動
   ロボットの動作制御システム。
9. 【請求項９】さらに、 算出された目標ＺＭＰ軌道を実現する前記脚式移動ロボ
   ットの運動パターンを生成する運動パターン生成手段
   と、 該生成された運動パターンに基づいて実現される実現Ｚ
   ＭＰ軌道を算出する実現ＺＭＰ算出手段と、 目標ＺＭＰ軌道と実現ＺＭＰ軌道間のＺＭＰ誤差を算出
   するＺＭＰ誤差算出手段と、 ＺＭＰ誤差が所定値を越えたことに応答して、該ＺＭＰ
   誤差に基づいて目標ＺＭＰ軌道を修正する目標ＺＭＰ軌
   道修正手段と、 を具備することを特徴とする請求項１に記載の脚式移動
   ロボットの動作制御システム。
10. 【請求項１０】少なくとも複数本の可動脚を備えた脚式
    移動ロボットのための動作制御方法であって、 所定動作実行中の各時刻毎のＺＭＰ安定領域を算出する
    安定領域算出ステップと、 各時刻毎のＺＭＰ安定領域内の所定位置に設定した目標
    ＺＭＰ位置からなるＺＭＰ目標軌道を算出するＺＭＰ目
    標軌道算出ステップと、を具備し、ＺＭＰ目標軌道に従
    って前記の所定動作の実行を制御することを特徴とする
    動作制御方法。
11. 【請求項１１】前記安定領域算出ステップでは、各可動
    脚の足底接地点支持多角形に基づいて前記ＺＭＰ安定領
    域を算出することを特徴とする請求項１０に記載の脚式
    移動ロボットの動作制御方法。
12. 【請求項１２】前記ＺＭＰ目標軌道算出ステップでは、
    各ＺＭＰ安定領域間のＺＭＰ移動量が最小となるＺＭＰ
    目標軌道を算出することを特徴とする請求項１０に記載
    の脚式移動ロボットの動作制御方法。
13. 【請求項１３】前記ＺＭＰ目標軌道算出ステップでは、
    各ＺＭＰ安定領域の略中心を基準として設定した目標Ｚ
    ＭＰ位置を連結してなるＺＭＰ目標軌道を算出すること
    を特徴とする請求項１０に記載の脚式移動ロボットの動
    作制御方法。
14. 【請求項１４】前記ＺＭＰ目標軌道算出ステップでは、
    各ＺＭＰ安定領域の略中心よりも次の進行方向寄りに設
    定した目標ＺＭＰ位置を連結してなるＺＭＰ目標軌道を
    算出することを特徴とする請求項１０に記載の脚式移動
    ロボットの動作制御方法。
15. 【請求項１５】前記ＺＭＰ目標軌道算出ステップでは、
    各ＺＭＰ安定領域の略中心に設定した目標ＺＭＰ位置を
    連結してなるＺＭＰ目標軌道を算出することを特徴とす
    る請求項１０に記載の脚式移動ロボットの動作制御方
    法。
16. 【請求項１６】さらに、算出された目標ＺＭＰ軌道を実
    現する前記脚式移動ロボットの運動パターンを生成する
    運動パターン生成ステップを具備することを特徴とする
    請求項１０に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。
17. 【請求項１７】さらに、 算出された目標ＺＭＰ軌道を実現する前記脚式移動ロボ
    ットの運動パターンを生成する運動パターン生成ステッ
    プと、 該生成された運動パターンが前記脚式移動ロボットの仕
    様を満足するか否かを判断する仕様判断ステップと、 否定的な仕様判断結果に応答して、該仕様の不足量に基
    づいて目標ＺＭＰ軌道を修正する目標ＺＭＰ軌道修正ス
    テップと、 を具備することを特徴とする請求項１０に記載の脚式移
    動ロボットの動作制御方法。
18. 【請求項１８】さらに、 算出された目標ＺＭＰ軌道を実現する前記脚式移動ロボ
    ットの運動パターンを生成する運動パターン生成ステッ
    プと、 該生成された運動パターンに基づいて実現される実現Ｚ
    ＭＰ軌道を算出する実現ＺＭＰ算出ステップと、 目標ＺＭＰ軌道と実現ＺＭＰ軌道間のＺＭＰ誤差を算出
    するＺＭＰ誤差算出ステップと、 ＺＭＰ誤差が所定値を越えたことに応答して、該ＺＭＰ
    誤差に基づいて目標ＺＭＰ軌道を修正する目標ＺＭＰ軌
    道修正ステップと、 を具備することを特徴とする請求項１０に記載の脚式移
    動ロボットの動作制御方法。